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[科技前沿] 正经说个硬的:原子钟

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  • TA的每日心情
    慵懒
    2023-12-6 00:54
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    楼主
     楼主| 发表于 2020-7-22 21:00:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    本帖最后由 七月群山 于 2020-7-22 21:06 编辑
    & V. F/ |) u/ H& _. `, i& q3 I
    : ^! S, k- x6 `) Q8 }  t1 q3 u前不久收官的北斗-3(BDS-3)定位星座,用了一项顶牛逼的硬核科技:氢原子钟。' _7 }4 ^, I, R8 L) L
    % P$ A# T' y, `# q  L. ]2 M# N
    氢原子钟是通俗说法。正经说,北斗-3用的是一台叫“被动型惰性氢分子激射器”的时频仪器,简称PHM。
    3 o' ^/ u) w2 L8 J3 C5 b2 b: ^% U$ ^  D( I6 J7 s
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    * }. p( x% g" g4 t: R7 Q
    ! f8 x& G- t( x( @氢原子钟,Hydrogen MASER(Microwave/Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation),分两种:主动有源型(active)和被动无源型(passive)。主动型当然好了,是目前已知精度最高的,就是呢个头太大了些,要求的温度条件和材料也相当苛刻,在地面站没问题,上卫星就不现实了;被动型,就是现在北斗3系用的,精度大概好像可能是差一个0,但是比目前美国GPS的铷钟,还是精确了两个到三个0,也就是一百到一千倍,稳定性也更高,耗电量随之也增加了,大致好像是五十瓦的级别,用在卫星上还不是负担。6 ]& {. ?) Z  P/ U2 y$ p# h

    / ]+ ~2 [+ u+ S; C; z当然,北斗3系是氢铷钟复合的双保险,这也是新卫星的主流——在卫星方面,目前,中国自己,还真就是主流,平均两星期发一颗,没别人了。
    2 k# f# |* u* z. |
    0 |. N( d( X' v% r4 L/ y( F2 P定位星座,美国“老大”,大不大另说,老肯定是够老的;俄罗斯、欧盟也都使用氢钟技术的,但和中国比嘛,理论上是没有代差啦,而且俄版自称抗干扰(此话怎讲?)方面有优势,但他总共就24+3颗的实力,可靠性也明显比我差;欧盟的伽利略,用的法国欧赫利亚(orolia)公司的产品,虽说重量上有优势(18公斤),耗电更低,但毕竟是民用级别的,精度被咱碾压不说,最要命好像是,还没射过?
    4 e/ A6 n& M4 m0 x' x% l) C4 M' [  L
    还有一个印度,印度挺牛的。有一个航天科技世界排名的网站,把印度排在美中欧俄日之后;印度科学家不乐意了,说,如果把人口和总投资之类的因素加进去,印度实际是世界第一的——反正印度人的算数最棒,总能把印度算成世界第一,连韩棒都比不过印棒。背着手撒尿不服不行。
    * n( K! w$ W( q- x. u1 B. Z8 T1 X. K+ p* j  a3 {0 i
    也许有人知道,在中国的北斗2系之后,大概是2013~2016,印度发射了7颗卫星的区域定位系统,叫navic。中国的几家手机为了抢印度市场,还想抬举抬举这个navic来着,不过印度至今也没搞出来相关的芯片,就更别提软件了。那这个navic干嘛用的?或者说有没有任何应用?这是印度之谜!( q9 V& I; B; F, V6 L# [6 a
    , w2 T- k' m. i
    不开玩笑,印度那威客的实际情况是,成网的第二年,一号星停摆了;然后补发一颗,失败了,到2018年再补发,按说是成功了,但其它几颗的可靠性明显的不行了。7 w! z6 C% u( i' O- c9 S/ G7 G+ p

    + q7 I! f& W6 `0 C4 Q, @0 k啥停摆了?原子钟啊!当年,2013年,印度虽说自己造不出原子钟,可它买的也是世界顶级的法国频谱计时spectratime公司的铷钟,虽说是民用级别的,毕竟是伽利略系统的供应商,(就是orola的前身,orola目前也是华为的供应商),,,不管怎样,反正,在原子钟方面,印度目前是,空白。当然就更不存在军用级别的定位系统了。没有卫星技术的支撑,其它的,比如导弹啦,无人机啦,,,等等,都必须仰人鼻息,“大国”悲哀莫过于此。0 T9 W/ N% P* e* c' d

    + {5 Z1 H! o' R% i9 i0 Q# v说些个大家可能百度不到的。
    ) |# L) m5 H  O+ s* p2 {
    4 J/ A% E0 _: [( U===前方高能===
      y- k' h0 X* s8 M
    ) ]  u9 w; C3 M1 X5 q6 [原子钟的重要性,中国科学家早就明白,但是啊,新中国那叫一个一穷二白,看着hp——没错,就现在笔记本的hp,在咱炮打司令部之前,1964年,hp就造出了便携式原子钟,眼馋啊,哈喇子流一尺那种。, d% S+ Z+ h. Y( N" r. A

    2 B. S. N! C1 H7 z1 y! j: X* V那年,从字面意义讲,“时间”是掌握在美国的国家标准局手里的,懂吗,它可以是上帝,或者阎罗王。  i$ \, j: t% K4 D' D" V

    % h; T6 |% q1 n
    : l1 T3 B0 X, g3 K+ G惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    , n1 x9 Z& S1 |* ^. x4 U0 a- P$ F' x% g* |3 n& s. t1 z9 R6 I
    1964年的我们,面上菜色未消,胸中“铯”心又起。裤腰带紧了两扣,就制定了第一个铯束原子钟的十年大计。不到五年,达成第一阶段小目标,我们算是做到了原子钟的入门级。然后点点悲剧,,,等到“文革”消停了几天,“余毒”还没肃清呢,英明领袖还是华主席呢,胡耀邦还没开始“敲边鼓”呢,,,已经有“臭老九”开始蠢蠢欲动,甚至扬言,要把失去的“时间”夺回来!7 u8 T, n% b: w9 b

    # o4 T0 j/ v/ Q$ ^& E2 g; x8 D那是一帮时频的工程师。不对,他们那时还没有职称呢,都叫“技术员”,每月37元的工资,因为加夜班食堂会补一份肥肉很多的夜宵炸酱面而令他们欢欣鼓舞。但是我知道至少曾经有一个这样的美食之夜里,有三个蹲实验室的“技术员”并不开心,因为仪器故障他们当中必须有一个人去找无线电的小余来帮忙,而小余的娇妻是三线蹲放射性的,两三个月才回家度一下蜜月。谁大半夜的去敲人家小夫妻的门,那年月,挨大嘴巴。。。结果是小烨去的,也没挨大嘴巴。小余不到一个小时就修好了机器,完事也没客气,把大半罐子的肉炸酱都拿走了,因为他第二天倒休陪老婆,不打算出门。
    ; }7 |4 ~# M6 F0 C: K! Q* g' N3 w8 v' K% C9 g- B
    时频,无线电,放射性,说的都啥?“时间”的原理或许你懂,可要把它固定在机器里,再以难以置信的精确度同时拿出来,是奇迹。; Z7 u5 |( p, [& {

    8 K4 z3 v9 _% d+ z5 u  U1981年,时频的技术员们第一次“真正”做到了,精度达到十的负十三次方,追上了世界水平。“时间”从此攥在了我们手里,而且我们再也没撒过手。
    2 U6 R" w) c1 W5 ], e. @; T
    ( ~3 |4 U& b8 F9 D3 J: ?( |8 U; ~1986年,十的负十四次方。7 m& E( N8 D0 s/ L

    $ a; o! w7 b9 E; P9 Q2003年,十的负十五次方。% L' R( b8 V8 X" h
    8 m3 [. N! |) t; |+ x$ h
    2017年,十的负十六次方。0 b5 |& {: m6 r* l+ S1 H

    # l# |5 e6 ]( X( r这些还都是我们100%可以做到的“标准”水平,敞开了让你看,你花钱就给你做机器,绝不藏着掖着。# c% [0 t7 Q% \- m3 Q  W% Z! o

    " p& R( J! P3 z7 N: o% K1 I。。。7 N+ r5 c, _( x3 L

    1 B. b' \  _) k2 U. i# M# f  \, e1 C- n8 R' x* p3 O; I
    今天,再去问时频“小烨”,他可能只记得当年价值九十元的真空管爆炸时的撕心裂肺;而放射性的罗阿姨,总会抱怨几句山洞里的实验室,害她犯关节炎;无线电的小余呢,对食堂何师傅的肉渣酱一直念念不忘。1 M- m' Z& C1 ~% |

    ! M" j# t% J; X
    - H7 h9 A% m# |! h7 ~3 R% c) O
    " X9 x8 S* h: S' M

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  • TA的每日心情
    开心
    20 小时前
  • 签到天数: 3392 天

    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2020-7-22 21:54:56 | 只看该作者
    国内第一台铯钟在1965年就完成了,领头人是王义遒 十年后铷钟也成功了。- v. N& B6 ]6 N# \' O
    真正的难点在于原子钟的小型化,这个是真的努力了好多年了。早七八年前2G往3G转的时候很多老旧基站都要拆除,所以市面上流了很多基站上带下来的铯钟,曾经有发烧友用这玩意代替高端恒温晶振来做采样与解码标准时钟。

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      发表于 2020-7-27 02:47

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  • TA的每日心情

    15 小时前
  • 签到天数: 3283 天

    [LV.Master]无

    板凳
    发表于 2020-7-22 21:55:25 | 只看该作者
    北斗系统据说让科学院上海小卫星当了一把鲶鱼,分了部分星座给科学院,导致五院大为紧张,双方竞争加剧而促进北斗代际加快。

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      发表于 2020-8-8 16:40
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      发表于 2020-7-24 00:11
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      发表于 2020-7-23 14:27
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      发表于 2020-7-23 08:39

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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    地板
    发表于 2020-7-23 07:53:34 | 只看该作者
    电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步,可以代替铯钟。
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  • TA的每日心情
    开心
    2025-3-13 15:17
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    [LV.9]渡劫

    5#
    发表于 2020-7-23 08:17:06 | 只看该作者
    看了这么一点不过瘾,有没有这方面的科普书可以推荐一下,谢谢
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  • TA的每日心情
    开心
    2026-6-18 11:07
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    [LV.9]渡劫

    6#
    发表于 2020-7-23 08:47:43 | 只看该作者
    本帖最后由 忧郁金桥 于 2020-7-23 08:49 编辑 8 s- B- H7 V( L( s

      Q5 Q9 ?$ d7 L群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    # g9 f2 Z6 Z, B4 G看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    $ N. x( g. A6 f/ P, K谢谢,“车旅系列”还能有第2季吗?
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  • TA的每日心情
    慵懒
    21 小时前
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    [LV.Master]无

    7#
    发表于 2020-7-23 10:41:50 | 只看该作者
    每月37元的工资 ------ 中专起步工资
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    8#
    发表于 2020-7-23 18:45:06 | 只看该作者
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
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    20 小时前
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    [LV.Master]无

    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45/ S( {' N& h4 X: A8 K
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
    ! N3 B" Y" A$ a2 }" |. z: x3 M$ y
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。2 }5 W& @% ~  T* J  G- I
    他家的铯钟在基站上很常见。

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      发表于 2020-8-8 16:41
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    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    10#
    发表于 2020-7-25 13:35:00 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56$ e) ?" T: t0 D9 V3 H- ~
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    6 p  M) n6 m9 ]" k8 _3 ~1 ]. q2 f他 ...

    5 `1 }' o" j4 t$ a0 x( ~  O短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好6 [) i! k( z) Q4 s
    5071A好像这两年不好买了
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    开心
    20 小时前
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    [LV.Master]无

    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
    1 E' ?: d/ g" d' L# {, Y短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好) D# S; I  N3 @% A7 F
    5071A好像这两年不好买了
    " M% m3 Z/ `9 I! h
    这个短稳长稳有出处嘛?4 M- E' [9 E# g  X4 V
    铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩一半~~
    * k3 m( h8 M  S9 {; ]% t% i所以 安捷伦到底是美国禁运呢还是自个玩不下去了还得俩说

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      发表于 2020-7-26 06:29
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    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:567 V' ~, Z) u0 u3 S
    这个短稳长稳有出处嘛?
    ' ?2 C. j( R  c2 J; z) W9 j0 e/ `铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩 ...
    ; `8 u, ^& s6 Z' l' T
    # x, t4 J$ u. S: V, E- [# Q3 F
    2 U5 D. H3 W. ?, e; {0 a) k
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图5 j3 V' a, t3 P+ H7 H: s
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的稳定性好,随着时间拉长,氢钟的稳定性(阿伦方差)就开始往上翘了,而高性能铯钟的阿伦方差则保持减小的趋势。

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      发表于 2020-8-8 16:41
    油墨: 5 油菜: 5
      发表于 2020-7-27 04:48
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      发表于 2020-7-27 03:03
    油菜: 5 涨姿势: 5
    学渣表示看不懂,但不妨碍表示佩服 :)  发表于 2020-7-26 21:12

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  • TA的每日心情
    慵懒
    21 小时前
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    [LV.Master]无

    13#
    发表于 2020-7-27 03:01:53 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56! S+ \, b; D2 D6 M  _4 U
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。2 X/ i( [+ ~( y# i2 p- V
    他 ...
    # T! @# B* I- f  I8 U
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

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      发表于 2020-7-30 11:41
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  • TA的每日心情
    开心
    20 小时前
  • 签到天数: 3392 天

    [LV.Master]无

    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
    / C' w/ T! ^* q2 s没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图4 H$ h; b/ o3 Z' H, E
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    6 r3 U$ w$ o) z: ], M你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。
    0 v! k' ?1 U0 K1 x! u: _6 o) v! U, c9 M冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大了,只能空间站或者大型卫星上使用。
    % ~' G' p6 w: q/ F% M" K( @

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      发表于 2020-7-27 04:47
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    15#
    发表于 2020-7-27 11:33:16 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35: e8 b6 r7 U2 T
    你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。
    3 _2 O' k6 v  @+ C7 z8 D冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    2 p- b2 q5 ]- @
    可能高端的铯钟做的更好一些吧% d9 r: K9 l9 t3 f+ _
    从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳
    % e5 Z9 S* R4 O时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    16#
    发表于 2020-7-27 11:34:00 | 只看该作者
    北京阿新 发表于 2020-7-27 03:01
    0 A& K' {: \1 e% ?( }) l安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ' b  u) k5 E2 X) \9 l( R5 D嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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  • TA的每日心情
    奋斗
    2026-6-21 00:17
  • 签到天数: 18 天

    [LV.4]金丹

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33% r. N* j1 [; e& z% T& }0 s6 n
    可能高端的铯钟做的更好一些吧! f6 d" ?* p; I$ Y
    从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳
    5 w! K, Q4 Q. `! s2 {时间基准据说 ...
    3 T7 T2 `5 w* j$ F" Y5 D# \
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
  • 签到天数: 334 天

    [LV.8]合体

    18#
    发表于 2020-7-28 09:50:08 | 只看该作者
    时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    19#
    发表于 2020-7-28 10:29:35 | 只看该作者
    陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:56
    5 D  n7 `8 W) [8 u1 C0 u1 r! d/ Q请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    & D0 s* _, V: C* E& I5 }* X2 i
    如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原子钟的稳定性,用算法算出一个综合的时间,大家向这个综合的时间看齐调整8 `0 W' W) ^  n( E
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    不在一起的原子钟,有基于卫星的、光纤的,等等方法进行比对
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    [LV.4]金丹

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29  `" D9 F" P: w4 T# E$ E
    如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原 ...

    * H& M4 ?* J3 N' ]( |像卫星上的原子钟,隔了几万公里,距离也不确定,真的好奇如何进行时间同步。
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